Ekoefektywność – mleczarstwo – czystsza produkcja

06 września 2020 r.

prof. dr hab. inż. Janusz Wojdalski

SGGW

Zrównoważony rozwój określa się, jako rozwój społeczno-gospodarczy, w którym występuje integracja działań gospodarczych i społecznych z zachowaniem praw człowieka, równowagi przyrodniczej oraz trwałości podstawowych procesów przyrodniczych i środowiskowych, mający na celu zapewnienie realizacji potrzeb obecnej generacji bez naruszania możliwości zaspakajania potrzeb następnych pokoleń (w nawiązaniu do prac [9,15,26,27]). Rozwój zrównoważony jest też traktowany jako proces który uwzględnia cztery zasadnicze aspekty: ekonomiczny, ekologiczny, społeczny i zagospodarowanie przestrzenne (rys. 1). Przedstawiony schemat stanowi graficzną interpretację zrównoważonego rozwoju na podstawie doświadczeń autorów. Uwzględnia, bowiem czynniki i uwarunkowania specyficzne dla gospodarki żywnościowej. Swoim zasięgiem obejmuje również ekoefektywność inwestycji.

Rysunek 1. Wielowymiarowe aspekty rozwoju zrównoważonego

W odniesieniu do sektora rolno-spożywczego, zrównoważony rozwój wymusza, zatem dążenie do pozyskiwania surowców pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, ich przetwarzania oraz dystrybucji gotowych produktów spożywczych, nie tylko z nadrzędnym celem zapewnienia odpowiedniej jakości i bezpieczeństwa zdrowotnego żywności, ale również systematycznej identyfikacji i monitorowania kluczowych aspektów środowiskowych w całym łańcuchu żywnościowym.

Nieodłącznym elementem działalności produkcyjnej jest powstawanie odpadów, pozostałości poprodukcyjnych i produktów ubocznych, wymagających właściwego zagospodarowania. Biorąc pod uwagę wymóg przeprowadzenia zmian w funkcjonowaniu gospodarki, wynikającej z potrzeby zmniejszania się zasobów naturalnych oraz opisanego wyżej problemu zaproponowano koncepcję „Gospodarki o obiegu zamkniętym” (GOZ) (GOZ; ang. Circular Economy ). Koncepcja ta charakteryzuje się kontrolą wszystkich poszczególnych okresów życia produktu, w celu pozostawienia surowców i materiałów przez jak najdłuższy czas w gospodarce, przy jednoczesnym zredukowaniu masy wytwarzanych odpadów. Jest dążeniem do zmniejszania szkodliwego oddziaływania produktów na naturalne środowisko. Odpady są traktowane, jako materiał wtórny (na podstawie [28]). Poniżej na rys. 2 przedstawiono koncepcję GOZ.

Rysunek 2. Modelowe ujęcie koncepcji GOZ (na podstawie [29])

Analizując szersze znaczenie GOZ na przykładzie mleczarstwa, przedstawiono możliwości dążenia do ochrony funkcjonowania ekosystemu. Wymaga to określenia granic poszczególnych poziomów systemowych ze względu na ułatwienie przeprowadzenia przejścia z gospodarki liniowej na cyrkulacyjną (rys. 3).

Rysunek 3. Wyznaczenie wielopoziomowych granic sytemu GOZ dla hodowli była i przetwórstwa mleczarskiego (na podstawie [1,19])

Poszczególne poziomy obejmują (stanowią także granice analizy zagadnienia/procesu): Level (poziom) 1 – oczyszczanie beztlenowe ścieków mleczarskich, Level 2 – zakład produkcyjny wraz z elementami pakowania i transportu powstałych produktów , Level 3 – początkowy łańcuch dostaw zaczynając od pasz i mleka surowego, przechodząc przez poprzednie poziomy, aż do dystrybucji produktów gotowych do konsumentów (na podstawie [20]). Poniżej na rysunku 4 rozszerzono poziom 1 z uwzględnieniem modelu cyrkulacji materiałów i energii.

Rysunek 4. Efekty fermentacji beztlenowej ścieków mleczarskich (na podstawie wyników przedstawionych przez autorów [19])

Fermentacja beztlenowa ścieków w przemyśle mleczarskim stała się kluczowym elementem gospodarki cyrkulacyjnej. Ponadto oczyszczanie ścieków mleczarskich minimalizuje ilość odpadów produkcyjnych. Stosując dodatkowo serwatkę, która pełni rolę katalizatora zwrócono szczególną uwagę na wzrost wydajności biogazu (na podstawie [10]). W zakładach mleczarskich biogaz stanowi centralny element produkcji energii, zaś ulepszenie go do postaci biometanu (paliwo), powoduje, że jest wykorzystywany do napędzania pojazdów (na podstawie [1]). Biometan charakteryzuje się mniejszym śladem węglowym w porównaniu do gazu ziemnego. W ostatnich latach także źródła energii odnawialnej cieszą się coraz większym zainteresowaniem, głównie moduły fotowoltaiczne, które również przyczyniają się w znaczącym stopniu do zapobiegania zmianom zachodzącym w klimacie (nawiązanie do publikacji [7]). Przedstawione zabiegi są stawiane w centrum rozwoju GOZ w otoczeniu rolniczym mleczarstwa.

Istotnym postępowaniem w rozwoju GOZ jest określenie wskaźników dla przedsiębiorstw, które na czele swoich działań stawiają poprawę jakości ekosystemu. Stanowią one predyspozycje do wskazania wykorzystania przez poszczególne firmy GOZ, w celu zabezpieczenia procesów produkcyjnych przed deficytem zasobów, a także ochrony wydajności produkcyjnej opartej na systemach naturalnych (na podstawie [9]). Ważnym elementem jest, aby wykraczały poza fizyczne granice zakładu. Przeprowadzone badania wykazują, że przetwórstwa obecnie w większości przypadków koncentrują się na wykazaniu wskaźników z obszaru zakładu m.in. wkładu zasobów naturalnych oraz otrzymanych rezultatów z odzysku odpadów z uwzględnieniem koncepcji cyklu życia, dlatego należy dążyć do poszerzania zakresu wskaźników w celu doskonalenia praktyki GOZ (w pracy [13] omówiono równoważone zarządzanie zasobami naturalnymi bazując na gospodarce cyrkulacyjnej). Na rysunku 5 przedstawiono uogólnione czynniki wpływające na zrównoważony rozwój produkcji mleczarskiej wykraczające poza zakład mleczarski. Przedstawiony schemat powstał także na podstawie dotychczasowych prac autorów.

Rysunek 5. Uwarunkowania produkcji mleczarskiej w kontekście zrównoważonego rozwoju z uwzględnieniem ekoefektywności

Ekoefektywność (EkoE) oznacza produkcję i dostarczanie usług w konkurencyjnych cenach, dostosowanych do potrzeb człowieka i podnoszących jego jakość życia z uwzględnieniem ograniczenia wpływu na środowisko i zużycia materiałów i zasobów w całym cyklu życia. Analiza ekoefektywności umożliwia zarówno ocenę przedsięwzięć prowadzących do ograniczenia zużycia zasobów oraz wpływu na środowisko, jak również wzrostu wartości dodanej produktu oraz wzrostu efektywności ekonomicznej zakładu produkcyjnego (powiązanej z ograniczaniem wpływu na środowisko) (nawiązanie do prac [3,4]; zagadnieniom ekoefektywności poświęcono obszerną pracę [11]). Celem analizy ekoefektywności jest porównanie różnych stosowanych rozwiązań uwzględniających czynniki ekonomiczne (Ekon) i środowiskowe (Ekol). Wskaźniki ekoefektywności mogą być wyznacznikami innowacyjności i służyć do oceny wpływu lub porównywana stosowanych technologii na środowisko uwzględniając przy tym efektywność produkcji (EP) i efektywność energetyczną (EE). Ekoefektywność może być, więc wyrażona zależnością funkcyjną:

EkoE = f (Ekon, Ekol, EP, EE)

w którym: Ekon – czynniki i wskaźniki ekonomiczne, Ekol – czynniki i wskaźniki środowiskowe, EP – uwarunkowania efektywności produkcji, EE – uwarunkowania efektywności energetycznej (przykłady zawarto w pracy [22]).

Rysunek 6. Uwarunkowania ekoefektywności przetwórstwa rolno-spożywczego

Na rysunku 6 przedstawiono czynniki mające wpływ na kształtowanie się ekoefektywności inwestycji proekologicznych i bieżącą działalność produkcyjną.

Analiza ekoefektywności dotychczas obejmowała różne gałęzie przemysłu. Niewiele prac dotyczyło przemysłu rolno-spożywczego (spośród branż przemysłu rolno-spożywczego prace dotyczyły branży mleczarskiej oraz produkcji napojów: [8,13,14,17,18,23]). Do obszarów zastosowań analiz ekoefektywności można zaliczyć: ekoprojektowanie, ekoinżynierię, cykl życia produktu, czystszą produkcję (CP) oraz wybrane aspekty zarządzania (Lean Manufacturing, Agile Management) i logistyki. Na rysunku 4 przedstawiono związki przyczynowo– skutkowe związane z wdrażaniem czystszej produkcji oraz czynniki mające wpływ na zmniejszenie oddziaływania na środowisko obiektu produkcyjnego (obszerne rozważania zawarto w pracy [16]) i na wzrost ekoefektywności.

Rysunek 7. Związki przyczynowo – skutkowe we wdrażaniu czystszej produkcji (CP) mające wpływ na wzrost ekoefektywności

Zakłady przetwórstwa rolno-spożywczego, w tym również zakłady mleczarskie różnią się między sobą także pod względem emisji zanieczyszczeń. W tabeli 1 zawarto wskaźniki wyrażające energochłonność produkcji , zużycie wody i emisje zanieczyszczeń związane pracą zakładów mleczarskich (specyfikę branży mleczarskiej przedstawiono w pracy [25]). Wśród tych zanieczyszczeń znajdują się wymienione w kosztach dofinansowania emisje CO2, SO2, NOx oraz pyły i inne czynniki brane pod uwagę we wdrażaniu czystszej produkcji.

Tabela 1. Wybrane wskaźniki i czynniki stosowane do oceny ekologicznych (środowiskowych) aspektów pracy zakładów przemysłu mleczarskiego.

*zmienność uzależniona od struktury produkcji i pory roku
**wartości liczbowe w nawiasach: wybrany przykład małego zakładu przerabiającego 44-48 m³/d (produkcja: mleko spożywcze, kefir, twarogi, mozzarella)

Przykłady wyrażania ekoefektywności

1. Na podstawie definicji:

Ekoefektywność = [Wartość produktu (wyrobu lub usługi)/ (Wpływ na środowisko)]

 EkoE=

[Ekon] – wartość produktu można wyrażać jako jednostkowy koszt przetwarzania surowca lub wytworzenia gotowego produktu np. koszt przetwarzania surowca [PLN/m³ mleka]

[Ekol] – wpływ przetwarzania mleka na środowisko można wyrazić jako [Mg zanieczyszczeń/m³ mleka].

 Otrzymany wskaźnik ekoefektywności [EkoE] miałby wymiar [PLN/Mg zanieczyszczeń] i mógłby posłużyć do racjonalnej interpretacji ekonomiczno-inżyniersko-środowiskowej oraz porównań ekoefektywności innych przedsięwzięć o charakterze proekologicznym. Wskaźnik ten wyrażałby np. koszt wytworzenia 1Mg produktu na 1Mg emitowanych zanieczyszczeń.

 2. Należy równocześnie zwrócić uwagę na fakt że zarówno efektywność produkcji [EP] jak i efektywność energetyczna [EE] (Efektywność energetyczna (EE), zgodnie z Ustawą z dnia 15 kwietnia 2011 r. o efektywności energetycznej, jest to „ stosunek uzyskanej wielkości efektu użytkowego danego obiektu, urządzenia technicznego lub instalacji, w typowych warunkach ich użytkowania lub eksploatacji, do ilości zużycia energii przez ten obiekt, urządzenie techniczne lub instalację, niezbędnej do uzyskania tego efektu”.) ogólnie biorąc stanową ilorazy [efekt]/[nakład].

Ekoefektywność [EkoE] może być też wyrażana podobnym ilorazem. W takim przypadku byłby to iloraz [(wskaźnik środowiskowy)/(wskaźnik kosztów)].

Zatem istotę ekoefektywności [EkoE] można wyrazić również jako iloraz

[(efekt środowiskowy)/(nakład poniesiony na uzyskanie efektu środowiskowego)]. Efekt środowiskowy może być wyrażony jako zmniejszenie emisji zanieczyszczeń. W tym przypadku EkoE może mieć np. wymiary [ΔMg zanieczyszczeń/1 mln PLN] i jest interpretowane jako łączne zmniejszenie emisji zanieczyszczeń na jednostkę poniesionych kosztów.

Wskaźnik wyrażający koszt wytworzenia 1Mg produktów na jednostkę emitowanych zanieczyszczeń [PLN/Mg zanieczyszczeń] można obliczyć na podstawie zależności:

[PLN/Mg zanieczyszczeń] = [PLN/m³ mleka] / [Mg zanieczyszczeń/m³ mleka]

Oba wymienione wskaźniki, jako parametry ekoefektywności są komplementarne względem siebie i odpowiadają na podstawowe stawiane pytania dotyczące powiązań ekonomicznoekologicznych (uszczegółowienie wiedzy z tego zakresu zawarto w pracach [3,5]).

Przykład oszacowania ekoefektywności. Pewien zakład mleczarski w roku 2020 modernizował system produkcji energii cieplnej i pary technologicznej.

Koszty finansowania przedsięwzięcia były następujące:

• całkowity koszt przedsięwzięcia: 10 002 218 zł, w tym: koszty kwalifikowane: 8 131 885 zł koszty niekwalifikowane: 1 870 333 zł
• kwota dofinansowania: do 6 912 102,00 zł
• kwota dofinansowania stanowi do 85% kosztów kwalifikowanych przedsięwzięcia

  Efekt ekologiczny przedsięwzięcia obejmował zmniejszenie następujących emisji:

• CO₂ z: 28 271,283 Mg/rok na: 13 160,197 Mg/rok tj. mniej o 15 111,09 Mg/rok (tj. o 53,4%)
• SO₂ z: 224,321 Mg/rok na: 0,111 Mg/rok tj. mniej o 224,210 Mg/rok (tj. o 99,9 %)
• NO_x z 42,255 Mg/rok na: 11,512 Mg/rok tj. mniej o 30,743 Mg/rok (tj. o 72,7%)
• pyłu z: 210,273 Mg/rok na: 0,006 Mg/rok tj. mniej o 210,267 Mg/rok (tj. o 99,9%)

  Stanowi to łącznie 15576,31 Mg zanieczyszczeń/rok mniej w porównaniu ze stanem przed wdrażaniem inwestycji proekologicznych.

  W związku tym, z punktu widzenia wymienionego przedsiębiorstwa, uwzględniającego całkowity koszt przedsięwzięcia wskaźniki ekoefektywności wynoszą:

  [EkoE]₁₀ = [efekt ekologiczny/ poniesione koszty] =  =1554,18

Wskaźnik wyraża [ΔMg zanieczyszczeń/1 mln PLN] tj. efektywność zmniejszania emisji zanieczyszczeń

[EkoE]₂₀ = [tys. PLN/ΔMg zanieczyszczeń]==0,6421=642,1 zł/Mg

Wskaźnik wyraża [tys. PLN/ΔMg zanieczyszczeń] tj. koszt ponoszony na zmniejszania emisji zanieczyszczeń o jednostkę [Mg].

Z punktu widzenia instytucji udzielającej wymienionej kwoty dofinansowania, wskaźniki ekoefektywności wynoszą:

[EkoE]₁₁ = [efekt ekologiczny/ poniesione koszty] =  =2253,48

 Wskaźnik wyraża [ΔMg zanieczyszczeń/1 mln PLN] tj. efektywność zmniejszania emisji zanieczyszczeń

[EkoE]₂₁ = [tys. PLN/ΔMg zanieczyszczeń]= =0,4437=443,7zł/Mg

Wskaźnik ten wyraża [tys. PLN/ΔMg zanieczyszczeń] tj. koszt PLN ponoszony na zmniejszania emisji zanieczyszczeń o jednostkę [Mg].

 Obliczone wskaźniki [EkoE]₁₀ i [EkoE]₂₀ mają znaczenie wewnątrz branży przemysłowej do porównań z innymi obiektami planującymi przedsięwzięcia o znaczeniu proekologicznym. Wskaźniki [EkoE]₁₁ i [EkoE]₂₁ mogą posłużyć instytucji przyznającej dofinansowanie do porównań z innymi planowanymi przedsięwzięciami, w celu wyboru najbardziej korzystnych wariantów. Wymienione wskaźniki wyrażają efektywność zmniejszania emisji zanieczyszczeń wyrażoną kwotą poniesioną na zmniejszenie emisji zanieczyszczeń o 1 Mg. Wskaźniki zestawione w tabeli 1 mogą także posłużyć do obliczania ekoefektywności.

Podsumowanie

Wskaźniki środowiskowe (w tym ekoefektywności) są przydatne w procesach oceny wniosków o przyznanie dofinansowania na cele proekologiczne. Mogą także być przydatne benchmarkingu tj. w badaniach porównawczych lub analizach porównawczych, jako praktykach stosowanych w zarządzaniu (polegające na porównywaniu np. energochłonności zakładu lub procesów i praktyk stosowanych przez analizowane przedsiębiorstwo z energochłonnością lub praktykami stosowanymi w zakładach/ przedsiębiorstwach uznawanych za najlepsze w danej branży lub analizowanej dziedzinie.

Literatura:

1. Blades L., Morgan K., Douglas R., Glover S., De Rosa M., Cromie T., Smyth B., (2017). Circular biogas-based economy in a rural agricultural setting. Energy Procedia, 123, 89-96.
2. Burchart-Korol, D. (2016). Zrównoważone zarządzanie zasobami naturalnymi bazując na gospo w ocenie poziomu ekoinnowacyjności [www.ptzp.org.pl/files/konferencje/kzz/artyk_pdf_2013/p026.pdf, data dostępu 8.11.2016)].
3. Cerutti A. K., Beccaro G. L., Bagliani M., Donno D., Bounous G., (2013). Multifunctional ecological footprint analysis for assessing eco-efficiency: A case study of fruit production systems in Northern Italy. Journal of Cleaner Production, 40, 108-117.
4. Czaplicka-Kolarz K., Kruczek M., Burchart-Korol D., (2013). Koncepcja ekoefektywności w zrównoważonym zarządzaniu produkcją. Zeszyty Naukowe. Organizacja i Zarządzanie. Politechnika Śląska, 13, 59-71.
5. Czyżyk F., Strzelczyk M., Steinhoff-Wrześniewska A., Godzwon J., Rajmund A., Kołdras J., Kaca E., (2010). Wytyczne w zakresie wykorzystania produktów ubocznych oraz postępowania zalecanego postępowania w rolnictwie i przemyśle rolno-spożywczym. MRiRW, Instytut Technologiczno-Przyrodniczy, Falenty-Warszawa,74-89.ISBN 978-83-62416-06-6.
6. Ghisellini P., Protano G., Viglia S., Gaworski M., Setti M., Ulgiati S., (2014). Integrated agricultural and dairy production within a circular economy framework. A comparison of Italian and Polish farming systems. Journal of Environmental Accounting and Management, 2(4), 367-384.
7. Honkasalo N., Rodhe H., Dalhammar C., (2005). Environmental permitting as a driver for ecoefficiency in the dairy industry: A closer look at the IPPC directive. Journal of Cleaner Production, 13(10-11), 1049-1060.
8. Howard M., Hopkinson P., Miemczyk J., (2019). The regenerative supply chain: a framework for developing circular economy indicators. International Journal of Production Research, 57(23), 7300-7318.
9. Kılkış, Ş., Kılkış, B. (2017). Integrated circular economy and education model to address aspects of an energy-water-food nexus in a dairy facility and local contexts. Journal of Cleaner Production, 167, 1084-1098.
10. Kleiber M. (2011). Ekoefektywność technologii. Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji–Państwowego Instytutu Badawczego, Radom.
11. Kowalczyk R., Karp K., (2005). Energochłonność oczyszczania ścieków w wybranym zakładzie przemysłu Mleczarskiego. Problemy Inżynierii Rolniczej, 13, 79-88.
12. Maxime D., Marcotte M., Arcand Y., (2006). Development of eco-efficiency indicators for the Canadian food and beverage industry. Journal of Cleaner Production, 14, 636-648.
13. Milani F. X., Nutter D., Thoma G., (2011). Invited review: environmental impacts of dairy processing and products: a review. Journal of Dairy Science, 94(9), 4243-4254.
14. Murphy F., McDonnell K., Fagan C.C., (2014). Sustainability and environmental issues in food processing. Food Processing: Principles and Applications, Second Edition, 207-232.
15. Pawłowski A., (2006). Wielowymiarowość rozwoju zrównoważonego. Problemy Ekorozwoju: Studia Filozoficzno-Sozologiczne, 1(1), 23-32.
16. Prasad P., Pagan R. J., Kauter M. D., Price N., (2005). Eco-efficiency for the dairy processing industry. http://www.eleche.com.uy/media2/design/style000001/00000000030000001438.pdf
17. Skrydstrup J., Larsen SL., Rygaard M., (2020). Eco-efficiency of water and wastewater management in food production: A case study from a large dairy in Denmark. J Ind Ecol.,1–12. https://doi.org/10.1111/jiec.13011
18. Stanchev P., Vasilaki V., Egas D., Colon J., Ponsá S., Katsou E., (2020). Multilevel environmental assessment of the anaerobic treatment of dairy processing effluents in the context of circular economy. Journal of Cleaner Production, 121139.
19. Stanchev P., Vasilaki V., Katsou E., (2017). Multilevel Environmental Assessment of Dairy Processing Industry in the Context Of Circular Economy. In 5th International Conference on Sustainable Waste Management. Retrieved from https://pdfs. semanticscholar. org/66a1/8671926cf493cc8f1d2a3d92e2082c6e818f. pdf (pp. 1221711423-1542979831).
20. Thoma G., Popp J., Nutter D., Shonnard D., Ulrich R., Matlock M., Adom F., (2013). Greenhouse gas emissions from milk production and consumption in the United States: A cradle-to-grave life cycle assessment circa 2008. International Dairy Journal, 31, S3-S14.
21. Wang L., (2014). Energy efficiency technologies for sustainable food processing. Energy Efficiency, 7(5), 791-810.
22. Wojdalski J., Niżnikowski R., (2019). Energia, woda i środowisko w produkcji mleczarskiej‒zarys problematyki. Przegląd Hodowlany, 87(6).
23. WS Atkins International, (1998). Ochrona środowiska w przemyśle rolno-spożywczym. Standardy środowiskowe. FAPA, Warszawa, 62-65, 77, 80, 86-87.
24. WS Atkins – Polska, (2005). Najlepsze Dostępne Techniki (BAT) wytyczne dla branży mleczarskiej. Warszawa, 23-27.
25. Zichichi A., (2016). The role of science for a sustainable development of the World in the Third Millenium: Project for Mankind (in Sustainable Development in context of LAUDATO SI, 364-462). Warszawa, 13 of October 2016. ISBN 978-83-89124-02-0
26. Zrównoważony rozwój w świetle Encykliki LAUDATO SI (2016).
27. https://www.gov.pl/web/rozwoj/gospodarka-o-obiegu-zamknietym
28. https://applia.pl/tematy/gospodarka-obiegu-zamknietego/
29. Dane z badań autorów z lat 2005-2020